量子引力还是弦理论？到底谁更胜一筹？

量子引力代替弦理论的方法是什么？

图片源自：电子出版物委员会(当代物理教育项目），国家科学基金会/制程验证/劳伦斯伯克利国家实验室.

我们熟知并热爱的宇宙，以爱因斯坦的广义相对论作为我们的引力理论和其他三种力的量子场理论，有一个我们不常提及的问题：它是不完整的。就爱因斯坦的理论本身来说是很好的，它描述了物质和能量如何与空间和时间的曲率相联系。 量子场理论本身也是很好的，它描述了粒子如何相互作用和体验力。量子场理论的计算通常在平直空间完成，那里的时空不会发生弯曲。我们也可以在爱因斯坦引力理论所描述的弯曲空间内进行（虽然那样做难度会增大，但并不是不可能的），也就是所谓的半经典引力。这就是我们如何计算霍金辐射和黑洞衰变。

图片源自:美国国家航空航天局

但即使是半经典的处理办法也只在黑洞视界的附近和外部有效，而不是在引力真正最强的地方：理论上被认为处于中心的奇点，或是数学上荒谬的预测。我们有许多物理实例需要一个量子引力理论，由于在极小短量子距离上，所有这些都与最小尺度上的强引力物理有关。这里有重要的问题，比如：

• 当一个电子穿过双缝时，它的引力场会发生什么变化呢？
• 如果一个黑洞的最终状态是热辐射，那么形成黑洞的粒子会有什么变化呢？
• 在奇点附近的引力场/力会产生什么行为呢？

如果没有量子引力理论，一切都没有定论。

为了解释在引力源或质量存在的情况下，短距离内会发生什么，我们需要一个有关量子离散，基于粒子的引力理论。已知的量子力由被称为玻色子的粒子，或者具有整数自旋的粒子介导。光子介导电磁力，W和Z玻色子介导弱力，而胶子介导强力。所有这些类型的粒子自旋都是1，大质量的粒子（如W和Z玻色子）的自旋可以是-1,0或者1；对于无质量的粒子（如胶子和光子），她们的自旋只能是-1或者+1。

虽然希格斯玻色子并不介导任何力，但它仍然是一种自旋为0的玻色子。由于我们对引力的了解，广义相对论是一个张量引力理论，它必须由一个自旋为2的无质量粒子介导，这也就意味着它的自旋值只能是-2或者+2.

这太难以置信了！这意味着我们在建立一个量子引力理论之前，就已经对它有了一定的了解。我们之所以知道这个，是因为无论真正的量子引力理论是什么，当我们与一个大质量的粒子或者物体距离不是很近的时候，它必定符合广义相对论。就像在100年前，我们知道广义相对论需要在弱场区还原为牛顿引力。

图片源自:美国国家航空航天局，一个艺术家关于引力探测器B绕地球轨道测量时空曲率的概念。

最大的问题当然是如何做到?如何以一种正确的(在描述现实时)、一致的的方式(与GR和QFT一致)量化重力，并有希望对可能观察测量，或以某种方式测试的新现象做出可计算的预测。当然，领先的竞争者是你早已听说过的弦理论。

弦理论是一个有趣的框架，无论是费米子还是玻色子，他都包含了所有的标注模型场和粒子。它还包含了一个十维的张量-标量引力理论：拥有九个空间维度以及一个时间维度，以及一个标量场参数。如果我们消除其中的六个空间维度（通过一个还没有完全定义过程，人们称之为紧致化），并且让定义标量相互作用的参数（ω）趋近于无穷，我们就可以恢复广义相对论。

图片源自：美国航空航天局/戈达德/韦德·西塞尔, 布莱恩·格林关于弦理论的演讲。

1.)但是弦理论有很多现象学问题。

其中之一就是它预言了大量的新粒子，包括还没有被发现的所有超对称粒子。它声称不需要像标准模型那样的“自由参数”（对于粒子的质量），但它用一个更糟糕的问题代替了这个问题。弦理论指的是“10^500个可能解”，这些解指的是没有机制来恢复它们的弦场真空期望值；如果你想让弦理论起作用，你需要放弃动力学，简单地说，“好吧，它一定是人类选择的。”弦理论本身就充满了挫折，缺陷和问题。但最大的问题可能并不是这些数学问题。取而代之的是，这里还有另外四种方法引导我们走向量子引力，这些方法完全独立于弦理论。

图片源自： 维基百科用户Linfoxman，一个量化“空间结构”的图解。

2.)圈量子引力。

圈量子引力是一个有趣的问题：圈量子引力中心特征之一不是试图量化粒子，而是空间本身是离散的。想象一下重力的常见比喻：在一张拉紧的床单中心有一颗保龄球。我们知道床单本身是量子化的，而不是连续的结构，因为它是分子组成的，分子是原子组成的，原子是原子核（夸克和胶子）和电子组成的。

空间可能也是这样的！也许它像一个织物，但也许它是由有限的、量化的实体组成的。但也许它是由“圆环”组成的，也就是这个理论的由来。把这些圆环编制在一起，就可以得到一个自旋网络，这代表了引力场中的量子态。在这张图片里面，不仅仅是物质本身，就连空间本身也是量子化的。从自旋网络的想法到一种或许现实的引力计算方法，是一个活跃的研究领域，一个见证了2007/8年巨大飞跃的领域，所以这仍然在积极推进中。

图片来源：维基百科用户&reasNink，由Wolfram Mathematica 8.0生成

2.)渐进安全重力。

这是我最喜欢的量子引力理论的尝试。渐进自由是在20世纪70年代发展起来的，用来解释强相互作用的不寻常性质：在极短的距离内，它是的一个非常弱的力，当带电粒子之间的距离越来越远时，它变得越来越强。不像电磁性有一个很小的耦合常数，强力的耦合常数很大。由于量子色动力学一些有趣的属性，如果你以一个（颜色）中性系统结束，相互作用的强度就会迅速下降。这可以解释像重子（比如质子和中子）、介子（比如π介子）的物理尺寸等属性。

另一方面，渐近安全性看起来解决了一个与此相关的基本问题：你不需要小的耦合（或趋向于零的耦合），而只需要耦合在高能极限下是有限的。所有的耦合常数都随着能量的变化而变化，因此渐进安全的做法是为该常数选择一个高能固定点(从技术上讲，对于重正化组，耦合常数就是从重正化组得到的)，然后在较低的能量下计算出其它一切。

至少，这是个办法！我们已经明白了在1+1维（一个空间和一个时间）中做到这一点，但在3+1维中还没有。尽管如此，还是取得了一些进展，其中最引人注目的是克里斯托夫·韦特里奇，他在20世纪90年代发表了两篇开创性的论文。韦特里奇在六年前利用渐近安全性计算了在大型强子对撞机发现希格斯玻色子之前的质量预测。结果是什么呢？

图片源自：米哈伊尔·沙波什尼科夫&克里斯托夫·韦特里奇

令人惊奇的是，它所显示的与大型强子对撞机最终发现的完全符合。如果渐近安全性是正确的，这将是一个令人惊讶的预测。当误差线被进一步打压到极点夸克，W玻色子和希格斯玻色子的质量最终确定时，甚至可能不需要任何其他基本粒子（如超对称性理论粒子）使物理学一直稳定到普朗克尺度。它不仅很有前途，而且像弦理论一样有很多吸引人的属性：能成功量化引力，在低能限制下降低到GR，并且是紫外线有限的。另外，它至少在一个方面胜过了弦理论：它不需要添加我们没有证实过的新粒子或者参数！在所有弦理论的备选方案中，这一个是我最喜欢的。

3.）因果性动力学三角剖分。

这个想法在2000年首次被雷娜特·洛尔发展起来，后被其他人拓展，所以算是一个新角色。由于空间本身是分离的，所以类似高斯线性二次方程，但主要关注的是空间本身如何进化。关于这个想法有一个有趣的性质，那就是时间也必须是离散的。作为一个有趣的特性，它给了我们一个四维时空（甚至不是源于先验，而是理论给我们的东西），但在能量极高和距离极短的情况下（就像普朗克尺度），它显示了一个二维结构。它基于一个被称为单纯形的数学结构，这是一个三角形的多维模型。

图片源自：维基百科单纯形页面截图

2-单纯形是三角形，3-单纯形是四面体，依此类推。这个选择的优点特性之一就是因果性——一个被大多数人视为神圣的概念在因果性动力学三角剖分中得到了明确的保留。（沙滨在这里关于因果性动力学三角剖分有些见解，它可能和渐进安全重力有关。）它也许能够解释引力，但不能百分之百确定基本粒子的标准模型是否适合这个框架。只有在计算方面的重大进展，才能使它成为近来研究得相当好的一种替代方法，因此这方面的工作正在进行中，而且还相对年轻。

4.)紧急重力。

最后，我们来看看最具推测性的量子引力可能性。2009年，埃里克·弗尔林德提出引力的熵力假说，在这个模型中，重力不再是一个基本力，而作为一个与熵有关的现象出现的，紧急重力在这时才得以突出。实际上，紧急重力的起源可以追溯到产生物质-反物质不对称条件的发现者安德烈·萨哈罗夫，他早在1967年就提出了这个概念。

图片源自：flickr gallery of J. Gabas Esteban.

我们确定我们需要一个量子引力理论确保宇宙工作于一个基本水平，但我们不确定的是这个理论是什么样的，也不知道这五个途径（包括弦理论）中的任何一个是否会被证明是有效的。弦理论是所有选项中研究得最好的，但是与其他被认真考虑很久的理论相比，圈量子引力是正在崛起的第二。他们说答案总是柳暗花明又一村，出现在你寻找的最后一个地方，这也许能够激励你开始认真地寻找新的地方，新的答案。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. forbes- Ethan Siegel-轻舟

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